Что такое электрическое поле и магнитное поле
Что такое электрическое поле и магнитное поле
6. Что такое электрическое и магнитное поле?
«Мучительный» вопрос
Пишут по этому поводу разные люди, знакомые обычно с понятием поля по школьным учебникам и популярным статьям. Часто выражают недоумение, почему нигде не встречается такое определение поля, которое могло бы их удовлетворить. Не пишут только студенты. То ли они начинают понимать, что несколькими фразами здесь не отделаешься, то ли потому, что соответствующие разъяснения они могут получить на месте.
Электромагнитное поле и эфир
Положение здесь не простое. Первоначальные представления о силовых линиях, к которым пришел Фарадей, а вслед за ним и Максвелл, были рождены в эпоху триумфа ньютоновской механики. Она казалась универсальной и всеобъемлющей. Постулаты Ньютона давно перестали восприниматься как гипотезы, построенные на экспериментальном фундаменте. Их стали считать чуть ли не самоочевидными.
Ни Кулон, ни Ампер никогда не помышляли ни о каком отступлении от ньютоновских позиций. Ведь они только исследовали новые типы сил. Силам же в ньютоновской теории разрешается быть какими угодно!
По существу на тех же позициях стоял и Фарадей, с той, правда, существенной разницей, что он не признавал действия на расстоянии. Фарадея не удовлетворяло умение только писать формулы, позволяющие выразить электромагнитные силы через расстояния, скорости и т. д. Он стремился наглядно представить себе механизм возникновения этих сил. Механизм, заметим, в самом буквальном смысле слова. Это (наряду с опытами с железными опилками и кусочками диэлектрика) и привело Фарадея к представлению о силовых линиях, как о чем-то очень напоминающем обычные (пусть невидимые и вообще ускользающие от прямого контроля органами чувств) упругие нити.
Да, как это ни звучит парадоксально в наше время, и Фарадей и Максвелл стояли на позициях механического объяснения электромагнитных явлений!
Эфир и теория относительности
Эти противоречия пошатнули ус- певшие укорениться привычные представления физиков об эфире. Окончательно идея механического эфира была похоронена теорией относительности Эйнштейна. Выяснилось, что нельзя не только построить сколько-нибудь удовлетворительной механики эфира, но даже обнаружить движение по отношению к нему.
Есть старый анекдот о том, как действует беспроволочный телеграф. «Представьте себе колокольчик. К нему привязана веревка. Другой ее конец я держу в руке. Дергаю за веревку. Колокольчик звенит. Понятно? Ну, а теперь то же самое, но только без веревки».
Эфир для многих физиков был той самой веревкой, которая делала все привычным и понятным. «Та же самая» электродинамика, но «без веревки» потребовала переосмысливания многих представлений.
Можно сказать, что сторонники дальнодействия в одном все же оказались правы. Отрицая промежуточный агент, обусловливающий взаимодействие, они ошибались. Но они были вместе с тем правы, высмеивая попытки объяснить эти взаимодействия неким не- воспринимаемым механизмом, механизмом, который должен быть сконструирован так, чтобы он давал как раз то, что мы наблюдаем в действительности, но ничего больше. Если нет эфира, то не приходится надеяться на возможность свести электромагнитные явления к механике, пусть очень своеобразной, изощренной, но все же ньютоновской механике.
Но если это так, то, следовательно, мы, изучая электромагнитное поле, сталкиваемся с какой-то материей (а в материальности электромагнитного поля сомневаться не приходится), которая не подчиняется законам Ньютона! Она описывается своими специфическими законами, математической записью которых являются уравнения Максвелла.
Это одно из фундаментальнейших открытий! Впервые за всю историю науки в современном смысле этого слова появилась глубокая идея: существуют разные сорта материи, и каждый из них описывается своими законами, не похожими на другие, хотя в некоторых пунктах и соприкасающимися. Днем рождения этой идеи стал день изгнания из физики механического эфира.
Но что же это за материя? Какое определение можно дать понятиям электрического и магнитного поля?
Что значит объяснить?
Что такое жираф? Сложно объяснить, но достаточно посмотреть один раз и вы никогда ее ни с чем не спутаете
Часто все три способа пригодны в равной мере, и вы можете выбрать любой из них в зависимости от характера и степени интереса, внушенного вам предметом.
Например, желая узнать, что такое глюкоза, вы можете раскрыть энциклопедию или другое руководство и ознакомиться с описанием ее свойств. Так вы узнаете, что это бесцветные кристаллы, плавящиеся при температуре 146°С; на вкус примерно в два раза менее сладкие, чем свекловичный сахар, и т. д. Список свойств будет весьма обширным.
Наконец, можно просто раздобыть кристалл глюкозы и посмотреть, что это такое.
Наиболее глубокое, полностью удовлетворяющее ученого или интересующегося наукой человека представление о предмете он получает при знакомстве со строением предмета. Особенно, если на основе этого строения можно объяснить различные свойства предмета. В этом главным образом и состоит цель науки.
Первичные сущности
Однако имеются объекты, для объяснения сущности которых ни первый, ни третий способы не годны. Такие объекты непосредственно не воспринимаются нашими органами чувств, и мы ничего не можем сказать об их строении. Именно к таким объектам относятся электрическое и магнитное поля. То, что эти поля не действуют на органы чувств, еще не так страшно, хотя и не легко убедиться в реальности того, что мы непосредственно не ощущаем. Ведь мы и атомы не воспринимаем органами чувств, но с ними можно свыкнуться довольно легко. С полем дело обстоит сложнее в том смысле, что о его строении ничего сказать нельзя. Такая ситуация совершенно непривычна. Она имеет место только для простейших объектов (стихий, как говорили древние), которые нам известны на сегодняшний день. Ничего более первичного, чем электромагнитное поле, мы не знаем. Именно поэтому ничего не можем сказать о его строении.
На любом этапе развития науки мы сталкиваемся с подобного рода простейшими сущностями, разложить которые на составные элементы нельзя по той простой причине, что таковые не известны. Античные философы принимали за первичные четыре стихии: воду, воздух, огонь и землю. Впоследствии это были атомы, а теперь элементарные частицы и поля. Вопрос может стоять только так: будут ли в дальнейшем открыты более простые объекты, которые можно было бы рассматривать в качестве составных частей полей и частиц? Ничего абсолютно достоверного здесь пока сказать нельзя.
Основные свойства электромагнитного поля
Электромагнитное поле
Максвелл на основе открытий Кулона и Ампера сформулировал точные законы, определяющие величину электрического и магнитного полей в зависимости от распределения в пространстве зарядов и токов.
Как относятся к фундаментальным понятиям ученые?
Полезно еще сказать несколько слов об отношении самих физиков к такого рода фундаментальным понятиям, как поле. То определение поля и перечисление его свойств, о которых шла речь, вероятно, многим покажется явно недостаточным. Не следует ли в первую очередь все силы направить на достижение большей ясности в вопросе о поле, попытаться выяснить детально его природу?
Точка зрения ученых на этот счет иная. В тех сведениях о поле, которыми мы располагаем, ученые прежде всего видят необъятные возможности для объяснения громадной совокупности опытных фактов. Только под этими сведениями надо понимать, конечно, точно сформулированные математические законы, определяющие конфигурацию поля в зависимости от расположения зарядов и их скоростей, а не только те качественные представления, о которых мы можем рассказать в этой книге. Ученые отдают себе полный отчет в том, что здесь то же положение, что и с силами в механике Ньютона. Для механики, как вы помните, не важно, что есть сила по своей природе. Важно, чему она равна и при каких условиях возникает. В теории электромагнитного поля также важно в первую очередь знать, как поле действует на заряд и при каких условиях возникает, а не что есть поле в себе. Разница лишь в том, что, выходя за рамки механики, мы можем исследовать природу сил, но поступить таким же образом с полем не в состоянии, во всяком случае сейчас.
Исследование природы различных механических сил заключается по существу в сведении их к тем или иным полям. Сами же поля, по крайней мере сейчас, нельзя, как мы уже говорили, свести к чему- то более элементарному.
Рано или поздно наши сведения о поле, несомненно, будут углублены. Но те сведения, которыми мы располагаем, не позволяют пускаться в дебри сомнительных предположений о том, каков «механизм» действия поля на заряды. Нужно удовлетвориться сказанным. Возврат к первым попыткам механического понимания поля невозможен. Стремление сразу постичь «самую сущность» поля, вместо длительного, трудного, крайне важного дела объяснения конкретных явлений на основе известного и поисков новых свойств поля, может только показаться похвальным, а в действительности от этого нужно освобождаться.
* ( Да не подумает читатель, что ученый своим характером вылитый Собакевич. Сходство между ними не в цели использования «таинственных предметов», а в способности увидеть в них практически полезные вещи.)
Вы конечно помните, как Манилов пытался было постичь, что же такое «мертвые души», но, увидев, что ему это не по силам, ограничился опасениями, не будет ли их продажа или негоция «несоответствующей гражданским постановлениям и дальнейшим видам России». Получив заверение в противном, он совершенно успокоился.
Конечно, ученые стремятся глубже исследовать свойства поля. Но они отлично понимают, что природа хранит свои тайны гораздо лучше, чем Чичиков тайну «мертвых душ».
Строить гипотезы, подобные тем, что выдвигались дамами «приятными во всех отношениях» и чиновниками губернского города N по поводу «мертвых душ», ученые считают занятием мало сказать бесполезным, но и вредным. На таком пути можно только превратить науку в сочинительство занимательных историй, подобных по своей достоверности «Повести о капитане Копейкине» или истории «О похищении губернаторской дочки».
В настоящее время мы не можем даже наверняка утверждать, что в дальнейшем будут открыты сущности «более первичные», чем поля и элементарные частицы.
Природа неисчерпаема в своих свойствах. Неисчерпаем, как подчеркивал Ленин, электрон. Столь же неисчерпаемо по своим свойствам и электромагнитное поле. Поэтому процесс все более глубокого познания свойств поля не прекратится никогда. Но делимы ли до бесконечности известные на сегодня простейшие образования? Вся совокупность фактов говорит, что скорее всего нет. Если это так, то дальнейший прогресс в изучении полей и элементарных частиц будет связан только с обнаружением все более и более глубоких свойств. Мы пока остановились лишь на некоторых важнейших свойствах, еще не изложив всего, что известно о поле современной науке.
Теперь можно и нужно перейти к следующим фундаментальным свойствам электромагнитного поля.
Электрическое и магнитное поле: в чем различия
Такой термин, как «поле» в нашем языке имеет общее, достаточно обширное понятие (например, картофельное или футбольное). А вот в точных науках, таких как физика и электротехника — это название применяется для того, чтобы описать определенные виды материи. Так, электромагнитная материя представляет собой две составных части: электрическую и магнитную.
С указанными формами материи непосредственно связан электрический заряд. И у этого заряда имеется характерная особенность. В неподвижном состоянии вокруг него постоянно существует электрическое поле, а как только заряд начинает осуществлять направленное движение, то появляется еще и магнитное поле. Рассмотрим характерные особенности электрического и магнитного полей по отдельности.
Два поля
В процессе проведения исследований и в целях боле эффективного практического применения данного явления, ему дано название напряженность. Оценивается по степени воздействия на единичный (с положительным знаком) заряд.
Здесь также применяется метод графического изображения при помощи силовых пунктирных линий. Но в отличие от схематического изображения электрического поля, эти линии замкнуты по контуру и не имеют определенной точки начала (равно, как и конца).
Как происходит взаимодействие электрического и магнитного полей
Первые достаточно точные обоснования и выводы (как теоретические, так и практические) по результатам исследований процессов внутри данных полей сделал великий ученый Д. Максвелл. Он показал, какая взаимосвязь происходит между эклектическими зарядами и протекающими токами электромагнитного поля. Для проведения исследований и получения результатов, были применены ранее сформулированные законы Ампера и Фарадея. В трудах физика было определено точное соотношение между электрическим и магнитным полем, которое возникало вследствие определенного способа распределения зарядов в пространстве.
Сравнение полей: электрического и магнитного
Важно понять, что электрическое и магнитное поле – это не обособленные понятия, а единый комплекс, получивший название электромагнитного поля. Следовательно, и изучать это поле необходимо параллельно, относясь к исследуемому явлению, как к единому целому.
Утверждение, что в какой-либо определенной точке пространства может иметься только одно из действующих полей, не может быть принято во внимание, более того – оно бессмысленно. Вопрос может быть поставлен исключительно с учетом типа исследуемой системы, которая может быть стационарной или подвижной.
В целом, сама система отсчета – это составная часть исследования электромагнитного поля. По характеристикам системы можно делать оценку, касательно свойств и конфигурации электромагнитного поля. Но абсолютной значимости система не имеет.
Что может быть применено в качестве индикаторов электромагнитного поля
Для электрического поля – это заряженные тела. Именно они указывают на наличие в определенном месте пространства поля. При проведении опытов и наблюдений широко используются такие подручные материалы, как:
– мелкие кусочки бумаги;
– небольшие комочки, бумажные шарики;
– так называемые «султаны».
Чтобы «увидеть» магнитное поле, можно использовать стальные опилки либо замкнутый контур, по которому протекает электрический ток. Еже проще – использовать магнитную стрелку, которая имеется на каждом компасе.
«Законодательная база»
Исследование полей, магнитного и электрического, осуществляется по ранее открытым физическим законам. Так, для электрического поля, при исследовании протекающих внутри него процессов, бесценную помощь оказали исследования и опыты, проведенные кулоном. Магнитное поле проще себе представить, воспользовавшись законом Ампера, применительно к расположению ладони человека. Так, чтобы определить направление действия силы, воздействующей на проводник, необходимо расположить ладонь следующим образом:
– 4 пальца, сложенные вместе, указывают на направление протекающего тока;
– силовые линии магнитного поля входят в ладонь;
– большой палец руки, находящийся под углом в 90 градусов по отношению к другим пальцам ладони, укажет направление воздействия искомой силы.
Подведем итог
В заключении необходимо отметить: электрическое и магнитное поля существенно отличаются друг от друга. Но это не мешает им тесно взаимодействовать, оставаясь составными частями одного целого – электромагнитного поля!
Похожие статьи по теме
Поделитесь своим мнением Отменить ответ
Популярное на сайте
Опросы
Наш сайт Все-электричество предоставляет вашему вниманию подробную информацию об электрике. Публикация наших материалов может разрешаться только в том случае если вы укажите ссылку на источник с указанием нашего проекта. Перед использованием нашего проекта рекомендуем прочесть пользовательское соглашение. Вся информация на сайте Все-электричество предоставлена в ознакомительных и познавательных целях. За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
Несимметричность природы
Электрическими бывают заряды и поля, а магнитными — только поля. Могут ли во Вселенной быть магнитные заряды?
Можно не сделать ни одной ошибки и всё равно проиграть. Это не слабость — это жизнь.
— Жан-Люк Пикар
В науке, а особенно, в физике, в основе огромного количества физических процессов лежат фундаментальные симметрии. В гравитации сила, с которой любая масса действует на другую, равна по величине и противоположна по направлению силе, оказываемой другой массой на первую.
То же самое выполняется для электрических зарядов, хотя тут есть один подвох: электрическое взаимодействие может быть положительным или отрицательным, в соответствии со знаками зарядов. Кроме того, электричество близко связано с другим взаимодействием, магнетизмом.
В физике два противоположных заряда или полюса, связанных вместе, зовутся диполем, а один отдельный заряд называется монополем.
С гравитационным монополем всё просто: это масса. С электрическими — тоже просто: подойдёт любая фундаментальная частица с зарядом, типа электрона или кварка.
Но магнитные монополи? Насколько нам известно, их не существует. Вселенная, где они существуют, удивительно отличалась бы от нашей. Задумайтесь, как именно связаны между собой электричество и магнетизм.
Движущийся электрический заряд, или электрический ток, создаёт магнитное поле, перпендикулярное линии движения. Прямой провод с текущим по нему электрическим током выдаёт магнитное поле, идущее по кругу вокруг провода. Если свернуть проводник в петлю или катушку, магнитное поле появится внутри неё.
Оказывается, это работает в обе стороны. Законы физики стремятся к симметрии. Это значит, что если у меня будет петля или катушка провода, и я изменю магнитное поле внутри неё, я создам электрический ток, заставляющий электрические заряды двигаться. Это электромагнитная индукция, открытая Майклом Фарадеем более 150 лет назад.
Значит, у нас есть электрические заряды, электрический ток и электрическое поле — но нет магнитных зарядов или магнитных токов, только магнитные поля. Можно изменить магнитное поле и заставить двигаться электрические заряды, но нельзя заставить двигаться магнитные заряды, изменяя электрическое поле — поскольку никаких магнитных зарядов не существует.
Точно так же можно создать магнитное поле, двигая электрические заряды, но нельзя создать электрическое поле, двигая магнитные заряды — опять-таки, их не существует.
Иначе говоря, между электрическими и магнитными свойствами нашей Вселенной есть фундаментальная асимметрия. Поэтому уравнения Максвелла для полей E и В (электрического и магнитного) так сильно различаются.
Причина, по которой уравнения так сильно отличаются, состоит в том, что электрические заряды (ρ и Q) и токи (J и I) существуют, а их магнитные аналоги — нет. Если удалить электрические заряды и токи, они станут симметричными с точностью до фундаментальных констант.
Но что, если бы магнитные заряды и токи существовали? Физики думают об этом уже более ста лет, и если бы они существовали, мы могли бы записать, как выглядели бы уравнения Максвелла, если бы магнитные монополи были в природе. Вот, как они выглядели бы (в дифференциальной форме)?
Опять-таки, с точностью до фундаментальных констант, уравнения теперь выглядят очень симметрично! Мы бы могли заставить магнитные заряды двигаться простым изменением электрических полей, создавать электрические токи и индуцировать электрические поля. В 1930-х с ними игрался Дирак, но потом общепризнанным выводом стало то, что если бы они существовали, они бы оставили после себя какой-то след. Эта область не воспринималась серьёзно, поскольку физика по сути своей наука экспериментальная; без каких бы то ни было доказательств существования магнитных монополей их очень сложно оправдать.
Но всё начало меняться в 1970-х. Люди экспериментировали с Теориями великого объединения, или идеями по поводу того, что в природе может существовать гораздо больше симметрии, чем видно нам. Симметрия может быть нарушенной, из-за чего во Вселенной существует четыре различных фундаментальных взаимодействия, но, возможно, все они были объединены на какой-то высокой энергии в единое? В результате у всех этих теорий есть предсказание существования новых высокоэнергетических частиц, и во многих вариантах, магнитных монополей (в особенности, монополи ’т Хоофта-Полякова).
Блас Кабрера со своим детектором магнитных монополей
И вот он построил это устройство и стал ждать. Устройство было неидеальным, иногда одна из петель отправляла сигнал, а в ещё более редких случаях сигнал отправляли две петли одновременно. Но для обнаружения магнитного монополя нужно было ровно восемь — но больше двух аппарат не показывал. Эксперимент безуспешно продолжался несколько месяцев, и в результате к нему стали возвращаться всего по нескольку раз в день. 14 февраля 1982 года Блас не приходил в свой офис, поскольку отмечал День святого Валентина. Когда он вернулся на работу 15 февраля, он с удивлением обнаружил, что компьютер и устройство 14 февраля записали сигнал ровно в восемь магнетонов.
Это открытие всколыхнуло общественность и породило огромную волну интереса. Были построены более крупные устройства с большей площадью поверхности и большим количеством петель, но, несмотря на тщательные поиски, никто более не находил монополя. Стивен Вайнберг даже написал Бласу Кабрере стихотворение 14 февраля 1983 года:
Roses are red,
Violets are blue,
It’s time for monopole
Number TWO!
Розы красны,
Фиалки сини,
Представить второй монополь
Мы бы тебя попросили!
[Отсылка к популярному стихотворению, используемому в англоязычных странах в связи с празднованием Дня всех влюблённых // прим. перев.]
Но второй монополь так и не появился. Был ли это сверхредкий глюк эксперимента Кабреры? Был ли это единственный монополь в нашей части Вселенной, совершенно случайно прошедший через детектор? Поскольку других мы так и не обнаружили, точно узнать нельзя, но наука должна быть воспроизводимой. А этот эксперимент воспроизвести не удалось.
Сегодня монополи всё ещё ищут в экспериментах, но ожидания весьма низки.
Природа была бы прекрасна в своей симметрии, но, как бы нам этого не хотелось, она несимметрична, не на всех уровнях. И в этом никто не виноват; просто Вселенная такая, какая есть. Лучше принять её такой — вне зависимости от того, насколько эстетически приятнее она была бы в ином случае — чем дать нашим предубеждениям увести нас с истинного пути.